特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的可靠性分析方法与流程

本发明属于特高压直流输电工程可靠性领域，具体涉及一种基于特高压直流输电晶闸管换流阀系统多层次结构的可靠性分析方法。

【背景技术】

特高压工程可靠性的高低对整个电力系统有着非常重要的影响，其可靠性的改善也将给电力系统的安全性、可靠性与经济性带来巨大的效益。晶闸管换流阀系统作为目前特高压直流输电的核心设备，其可靠性直接决定了整个输电系统的安全稳定运行，因此评估特高压直流输电工程换流阀系统的可靠性，分析各种因素的影响，对于有效提升输电系统的可靠性，为实际工程提供量化决策依据具有重要的意义。

在换流阀的可靠性评估方面，多数学者将换流阀的辅助系统简单的看成一个整体，没有全面考虑实际工程中辅助系统的不同配置层次以及功能范围。此外，在对换流阀的评估中多以单阀作为分析的基本单元，缺乏换流阀内部结构的可靠性分析。

技术实现要素：

本发明提出了一种特高压直流输电晶闸管换流阀系统的可靠性分析方法，以解决上述技术问题。本发明分析了换流阀单阀内部的可靠性，充分考虑了换流阀自身组成与辅助系统的多层次结构与不同层次的功能范围。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的可靠性分析方法，包括：

1)特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的单阀可靠性计算；

2)12脉动换流器可靠性计算；

3)单极换流器可靠性计算；

4)双极换流器可靠性计算，获得能够对特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的可靠性进行评估的指标。

进一步的，步骤1)具体包括：1.1)采集特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统中晶闸管，阻尼电阻，阻尼电容和晶闸管控制单元tcu的失效率；代入晶闸管失效率λthy，阻尼电阻失效率阻尼电容失效率和tcu的失效率λtcu，得到晶闸管级的失效率λtl：

1.2)代入单阀的晶闸管数目，得到单阀内所有晶闸管级整体的可靠性函数：

1.3)代入单阀的饱和电抗器数目与失效率，得到单阀内所有饱和电抗器整体的可靠性函数：

1.4)得到基于冗余系统模型的单阀可靠性函数及单阀等效失效率：

rsv(t)＝rttl(t)·rtsr(t)

进一步的，步骤2)具体包括：

2.1)代入统计数据：内水冷的失效率λics、外水冷的失效率λocs与监控系统的失效率λmcs，得到一套冷却系统的等效失效率λcso：

λcso＝λics+λocs+λmcs

2.2)得到基于冗余系统模型的考虑备用下冷却系统整体的可靠性函数及等效失效率：

2.3)代入统计数据：阀基电子的失效率，得到12脉动换流器的可靠性函数及等效失效率：

进一步的，步骤3)具体包括：

3.1)代入统计数据：一套单极控制层的失效率λpco，得到考虑备用下单极控制层整体的可靠性函数与等效失效率：

3.2)分析单极换流器所有可能的运行状态及不同状态之间的转移关系，得到单极换流器的状态转移图，根据单极换流器的状态转移图得到单极换流器整体状态转移率的转移密度矩阵asp，如式(17)所示。

3.3)由稳态下马尔科夫过程概率公式(18)和(19)，得到单极换流器各个状态对应的稳态概率，并由此可以计算状态合并后的等效状态转移率λspi与μspi，i＝1,2,3,4：

进一步的，步骤4)具体包括：

4.1)代入统计数据：一套双极控制层的失效率，得到考虑备用下双极控制层整体的可靠性函数与等效失效率：

4.2)对于由12脉动换流器，控制系统双极控制层以及冷却系统故障引起的状态转移，得到双极换流器的状态转移图1，对应的转移密度矩阵记作abp1，如式(23)所示：

4.3)对于由单极的控制系统极控层故障引起的状态转移，得到双极换流器的状态转移图2，对应的转移密度矩阵记作abp2，如式(24)所示：

4.4)换流阀系统总体的转移密度矩阵就是两个子情况下转移密度矩阵之和；

abp＝abp1+abp2

4.5)将abp代入式(18)和式(19)，求得双极换流器各个状态对应的稳态概率，将各个相同容量状态的概率求和，即得到不同可用容量状态的稳态概率并计算其他的可靠性指标；其他可靠性指标包括转移频率、平均持续时间、能量不可用率。

进一步的，采用不同可用容量状态的稳态概率、转移频率、平均持续时间、能量不可用率中的一个或者多个进行特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的可靠性评估。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于特高压直流输电晶闸管换流阀系统多层次结构的可靠性分析方法，分析过程中充分考虑了换流阀控制系统的多层次结构及功能范围，可以充分体现各个层次对于换流阀运行及可靠性的影响。

本发明详细分析了换流阀单阀内部的拓扑结构，并以此分析了其可靠性，可靠性分析的更加细致、全面，可以直观的体现单阀内部器件对换流阀可靠性的影响。

本发明针对换流阀系统的不同类型故障进行分类并考虑了所有可能的状态，使得所得到的状态转移矩阵维度更多，更贴近实际工程。

根据本发明获得的不同可用容量状态的稳态概率、转移频率、平均持续时间、能量不可用率，本领域技术人员能够客观、真实的评价特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的可靠性。

特高压直流输电换流站的换流阀控制系统采用分层分布式结构，在结构与功能上按等级分为若干层次，可以有效提高运行的可靠性，使任何控制环节故障所造成的影响和危害程度减到最小，同时还可以提高运行操作、维护的方便性和灵活性。

本发明将实际工程中的辅助系统，尤其是控制系统的多层次结构以及功能范围进行分析，并在逐步构建可靠性模型的过程中将辅助系统不同层次的影响分别引入对应层次的系统模型，对换流阀系统的可靠性描述更为准确。

本发明采用马尔科夫模型，以换流阀系统的可用容量作为根本依据来衡量可靠性，同时创新性的定义了若干个新的失效子状态，将阀体故障与辅助系统故障区分对待，使得全过程的描述更为合理。

本发明在全面分析晶闸管换流阀拓扑与辅助系统的多层次结构，包括控制系统与冷却系统的基础上，根据冗余模型以及状态空间法等基本的可靠性理论，全面考虑系统的各个组成部分，提出了一种完备详细的特高压直流输电晶闸管换流阀系统可靠性模型与分析方法，同时分析了不同因素对于系统可靠性的影响。本发明仍采用现有文献中普遍认可的可靠性评估基本前提，即认为换流阀中的所有元件的失效率为不随时间变化的定值，元件的可靠性函数为指数函数。

【附图说明】

图1为晶闸管级拓扑结构。

图2为阀组件拓扑结构。

图3为特高压直流换流站内换流阀的接线方式。

图4为控制系统多层次结构。

图5为单极换流器状态转移图。

图中每个状态框的第一个数字表示该状态的编号，n与前面数字表示该状态下单极正常工作的12脉动换流器数目，s与前面数字表示无故障且可以接入单极的待安装12脉动换流器数目，百分号表示的数字表示该状态对应的单极可用容量，箭头旁边的标注为状态转移率，表明了单位时间下箭头两端的不同状态转移的概率。

图6为单极换流器等效状态转移图。

图7与图8代表不同情况下的双极换流器的状态转移图。

图7为双极换流器状态转移图(情况1)。每个状态方框的第一个数字同样表示状态编号，两个n与前面数字分别表示两侧的单极换流器正常工作的12脉动换流器数目，百分号数字表示该状态的可用容量。

图8为双极换流器状态转移图(情况2)。

【具体实施方式】

(一)换流阀拓扑结构

晶闸管是换流阀的核心元件，需要将晶闸管与其他辅助器件一起使用，共同构成换流阀的基本开关单元——晶闸管级，包括晶闸管，阻尼回路电容cd与电阻rd，直流均压电阻rdc以及晶闸管控制单元(thyristorcontrolunit,tcu)，其拓扑结构如图1所示。

阀组件是由数个至数十个晶闸管级串联，同时和一或两个饱和电抗器串联组装在一起的结构单元，从功能上可以作为一个完整单阀来使用，或者成为单阀的比例单元，如图2所示。

单阀是换流器的一个桥臂，又称为阀臂，由若干阀组件串联组成。由于晶闸管技术的发展和对滤波器设计的考虑，目前广泛采用12脉动换流器构成换流站的基本换流单元，由两个6脉动换流器在交流侧相位错开30°而直流侧串联组成。

国内特高压直流输电系统换流站内普遍采用双极双12脉动换流器的接线方式，每极有两个12脉动换流器串联而成，如图3所示。

(二)辅助系统多层次结构

换流阀的辅助系统主要包括控制系统与冷却系统。特高压直流输电换流站的换流阀控制系统特高压直流输电换流阀的控制系统采用分层分布式结构、完全冗余配置，如图4所示，可以分为双极控制层、单极控制层、换流单元控制层和换流开关控制层。换流阀的控制系统包括两套互为冗余的系统，由系统选择切换控制单元实现二者的切换，两套系统互为备用，在任一系统故障时及时切换，有效提升了换流阀的可靠性。

换流阀运行时，阀体内通过大电流并由此产生高热量，导致晶闸管、电抗器等器件温度急剧上升。为防止高温导致的元件损坏，工程中以12脉动换流器为单位配置了冷却系统进行降温。一套冷却系统分为内水冷系统和外水冷系统，同时配备监控系统实现对监视与控制，完成与对应极控系统信息的交互。此外，冷却系统同样有冗余的备用系统，在故障状态下可以及时切换。

(三)基于冗余系统模型的单阀可靠性模型

对于晶闸管级，晶闸管的损坏会直接导致该晶闸管级的故障，阻尼回路电容与电阻，tcu的损坏也会导致所在的晶闸管级失效。直流均压电阻除了起直流均压作用之外，一般还作为晶闸管控制单元的高电位分压臂，用于对晶闸管级电压进行监控，可以看作tcu的一部分。所以，晶闸管级内部各元件为串联的可靠性关系，可靠性函数如式(1)所示。其中rthy(t)，rrd(t)，rcd(t)，rtcu(t)分别为晶闸管，阻尼电阻，阻尼电容和tcu的可靠性函数，由于各个元件的寿命服从指数分布，其等效失效率如式(2)所示。其中λthy，λrd，λcd，λtcu为晶闸管，阻尼电阻，阻尼电容和tcu的失效率。

多个阀组件串联构成一个单阀，而阀组件是多个晶闸管级与饱和电抗器串联后并联均压电容的结构。考虑到均压电容的故障虽然会增加所在阀组件故障的风险，但并不会直接导致失效，所以单阀的可靠性模型中可以忽略均压电容的影响，在电路上看作多个晶闸管级与饱和电抗器的串联组合。

单阀中晶闸管的数目采用冗余设计，在出现晶闸管故障的情况下呈现短路性态，保证换流阀的正常运行。假设一个单阀共有ntl个晶闸管级，并且至少需要ktl个晶闸管级处于正常状态时才可以工作，则这些晶闸管级的可靠性函数如式(3)所示。同时，设计上单台饱和电抗器出现电气或机械的损坏也会直接导致所在单阀的失效，所以单阀中所有饱和电抗器的可靠性关系为串联，对应的可靠性函数如式(4)所示，其中λsr和nsr分别是饱和电抗器的失效率与单阀中饱和电抗器的数目。

单阀的可靠性函数可以表示为基于冗余系统模型的所有晶闸管级与饱和电抗器整体的串联结构，如式(5)所示。相应的单阀的平均无故障工作时间mttfsv与等效失效率λsv分别如式(6)与(7)所示。

rsv(t)＝rttl(t)·rtsr(t)(5)

(四)基于冗余系统模型的12脉动换流器可靠性模型

12脉动换流器中包括12个单阀，每个单阀的故障都会直接导致整个换流器停运。在控制系统中，换流单元控制层对12脉动换流器的运行进行控制，实际由阀基电子vbe执行相应的指令。此外，工程中冷却系统以12脉动换流器为单位进行配置，不同系统的运行相对独立。一套冷却系统包括内冷却系统，外冷却系统与监控系统，可靠性函数如式(6)所示，其中rics(t)，rocs(t)，rmcs(t)分别是内水冷、外水冷与监控系统的可靠性函数。一套冷却系统的等效失效率如式(7)所示，其中λics、λocs、λmcs分别为内冷却、外冷却与监控系统的失效率。

rcso(t)＝rics(t)×rocs(t)×rmcs(t)(6)

λcso＝λics+λocs+λmcs(7)

由于配备了热备用系统，所以考虑备用下冷却系统整体的可靠性函数可以用冗余系统模型表示，如式(8)所示，相应的冷却系统整体的平均无故障工作时间mttfcs与等效失效率λcs如式(9)和(10)所示。

综上，12脉动换流器可靠性模型表示为基于冗余系统模型的所有单阀，阀基电子与冷却系统的串联模型，其可靠性函数如式(11)所示，其中λvbe是阀基电子的失效率。12脉动换流器的平均无故障工作时间mttfvb与等效失效率λvb分别如式(12)和(13)所示。

(五)基于状态空间法的单极换流器可靠性模型

单极的两个12脉动换流器的运行相互独立，可能经历的状态过程有：工作—故障—修复—安装—工作。12脉动换流器不同工作状态导致的单极可用容量状态改变的过程可以用齐次马尔科夫过程表示。

影响单极换流器可靠性的不只是12脉动换流器，同样需要考虑对应层次的控制系统。由图3，控制系统的单极控制层直接影响单极所有12脉动换流器的运行状态，发生故障的情况下将全部停运。考虑到热备用控制系统，单极控制层整体的可靠性可以用冗余系统模型表示，如式(14)所示，其中λpco是一套单极控制层的失效率。考虑备用下单极控制层整体的平均无故障工作时间mttfpc与等效失效率λpc如式(15)和式(16)所示。

12脉动换流器除了正常运行与故障，还包括故障修复后待安装的状态。记12脉动换流器的修复率与安装率分别为μvb和γvb，单极控制层的修复率是μpc，由此根据状态空间法建立单极换流器的可靠性模型。单极换流器所有可能状态的转移过程如图5所示，包括7个可能状态。此外单极控制层故障时单极换流器立刻停运，但注意到12脉动换流器本身并未发生故障，在控制层修复后可以恢复运行状态，状态的转移并未涉及到12脉动换流器。所以这里定义一个新状态7，表明单极控制层故障时系统状态的受迫性失效(forcedfailure,ff)，可用容量为0。

根据图5，单极换流器整体状态转移率的转移密度矩阵asp如式(17)所示，其中第i行第j列的元素表示从状态i到状态j的状态转移率。由稳态下齐次马尔科夫过程概率公式(18)和(19)，代入asp可以得到单极换流器各个状态对应的稳态概率，公式中是对应各个状态稳态概率的行向量。

单极换流器状态合并后的等效状态转移过程如图7所示，其中每个可用容量的状态表示图6中所有该容量的状态集合，图7的状态4代表图6的状态7，λsp1，μsp1，λsp2，μsp2，λsp3，μsp3，λsp4，μsp4表示等效过程中各个状态间的等效状态转移率，由转移密度矩阵asp与马尔科夫过程的状态合并公式计算得到。

(六)双极换流器可靠性模型

双极换流器可以看作两个单极换流器的串联结构，但是由于其运行的相对独立性，所以与单极的情况类似，12脉动换流器的不同工作状态决定了双极换流器不同的可用容量水平，而各个状态间的切换依然可以用马尔科夫过程来描述。此外控制系统中双极控制层的故障也会直接导致双极换流器的停运，考虑到站控层的热备用系统，考虑其热备用系统，双极控制层整体的可靠性函数如式所示，其中λsco为一套双极控制层的失效率。相应的考虑备用下双极控制层整体的平均无故障工作时间mttfsc与等效失效率λsc分别如式(21)和式(22)表示。

根据单极换流器的等效状态转移率，双极换流器的可靠性模型需要根据不同的故障原因分情况讨论。

情况1：对于由12脉动换流器，控制系统双极控制层以及冷却系统故障引起的状态转移，双极换流器的状态转移图如图7所示，对应的转移密度矩阵记作abp1，如式(23)所示。

情况2：对于由单极的控制系统极控层故障引起的状态转移，双极换流器的状态转移图如图8所示，对应图8的转移密度矩阵记作abp2，如式(24)所示。

由此，两种情况合并考虑后即为双极换流器所有的状态转移过程，总体的转移密度矩阵就是两个子情况下转移密度矩阵之和，如式(25)所示：

abp＝abp1+abp2(25)

将abp代入式(18)和式(19)，求得双极换流器各个状态对应的稳态概率，将各个相同容量状态的概率求和，即可得到所有可用容量状态的稳态概率并计算其他的可靠性指标。

本发明是基于状态空间法的特高压直流输电晶闸管换流阀系统的可靠性分析方法。首先基于冗余系统模型建立单阀乃至12脉动换流器的可靠性模型，然后根据特高压直流工程换流器的接线方式，建立基于状态空间法的特高压直流晶闸管换流阀系统的可靠性模型，并计算相应的可靠性指标；具体实施步骤如下：

1)特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的单阀可靠性计算

1.1)采集特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统中晶闸管，阻尼电阻，阻尼电容和tcu的失效率；代入晶闸管失效率λthy，阻尼电阻失效率阻尼电容失效率和tcu的失效率λtcu，得到晶闸管级的失效率λtl：

1.2)代入单阀的晶闸管数目，得到所有晶闸管级整体的可靠性函数。

1.3)代入单阀的饱和电抗器数目与失效率，得到所有饱和电抗器整体的可靠性函数。

1.4)得到基于冗余系统模型的单阀可靠性函数及单阀等效失效率。

rsv(t)＝rttl(t)·rtsr(t)

2)12脉动换流器可靠性计算

2.1)代入统计数据：内水冷的失效率λics、外水冷的失效率λocs与监控系统的失效率λmcs，得到一套冷却系统的等效失效率rcso(t)。

λcso＝λics+λocs+λmcs

2.2)得到基于冗余系统模型的考虑备用下冷却系统函数及等效失效率。

2.3)代入统计数据：阀基电子的失效率，得到12脉动换流器的可靠性函数及等效失效率。

3)单极换流器可靠性计算

3.1)代入统计数据：一套单极控制层的失效率，得到考虑备用下单极控制层整体的可靠性函数与等效失效率。

3.2)分析单极换流器所有可能的运行状态及不同状态之间的转移关系，得到单极换流器的状态转移图(如图5所示)，根据单极换流器的状态转移图得到单极换流器整体状态转移率的转移密度矩阵asp，如式(17)所示。

3.3)由稳态下齐次马尔科夫过程概率公式(18)和(19)，得到单极换流器状态合并后的等效状态转移率。

4)双极换流器可靠性计算

4.1)代入统计数据：一套双极控制层的失效率，得到考虑备用下双极控制层整体的可靠性函数与等效失效率。

4.2)对于由12脉动换流器，控制系统双极控制层以及冷却系统故障引起的状态转移，对于由于这种类型引起的状态转移，得到双极换流器的状态转移图如图7所示，对应的转移密度矩阵记作abp1，如式(23)所示。

4.3)对于由单极的控制系统极控层故障引起的状态转移，对于由于这种类型引起的状态转移，得到双极换流器的状态转移图如图8所示，对应图8的转移密度矩阵记作abp2，如式(24)所示。

4.4)总体的转移密度矩阵就是两个子情况下转移密度矩阵之和。

abp＝abp1+abp2

4.5)将abp代入式(18)和式(19)，求得双极换流器各个状态对应的稳态概率，将各个相同容量状态的概率求和，即得到不同可用容量状态的稳态概率并计算其他的可靠性指标；其他可靠性指标包括转移频率、平均持续时间、能量不可用率。

采用不同可用容量状态的稳态概率、转移频率、平均持续时间、能量不可用率中的一个或者多个进行特高压直流输电工程晶闸管换流阀系统的可靠性评估。